合成轨枕式无砟轨道垂向受力影响参数分析

何燕平，周毅，杨荣山

(西南交通大学土木工程学院，成都 610031)

合成轨枕式无砟轨道垂向受力影响参数分析

何燕平，周毅，杨荣山

(西南交通大学土木工程学院，成都 610031)

根据弹性地基梁板理论，运用有限元方法，建立了合成轨枕式无砟轨道“梁—梁—板”计算模型。运用所建立的有限元模型分析了扣件刚度、树脂砂浆刚度等参数对轨道结构垂向受力特性的影响;分析得出，扣件刚度取动刚度50 kN/mm进行设计是合适的;树脂砂浆的弹性模量宜在200～300 MPa间取值。

合成轨枕 有限元法 扣件刚度 树脂砂浆刚度

合成轨枕式无砟轨道是一种源于日本的新型无砟轨道形式，合成轨枕的主要材质是FFU，FFU(Fiberreinforced Foamed Urethane)是将硬质聚氨酯树脂的发泡体用长玻璃纤维进行强化后生产出的轻量、耐腐蚀构造材料。合成轨枕结合了木枕和混凝土轨枕的优点，应用于轨道结构，拓宽了轨道用料，同时还节约木材，保护环境，有利于长期经济性的发展。在日本、澳大利亚以及我国的城市轨道交通相继投入使用过合成轨枕式轨道结构。

但是，合成轨枕式无砟轨道是否适合铺设在我国高速、重载等线路上，因无先例，故需要大量的理论和试验研究才能定论。本文结合大瑞线复杂地质条件下轨道结构选型研究，拟通过建立“梁—梁—板”有限元计算模型来分析扣件刚度、树脂砂浆刚度等对合成轨枕式无砟轨道的垂向受力特性的影响，为国铁中合成轨枕式无砟轨道的设计提供理论依据。

1 合成轨枕式无砟轨道结构设计

合成轨枕式无砟轨道结构主要由钢轨、扣件系统、合成轨枕、树脂砂浆、道床板等部件组成，按其支承条件不同，有轨枕埋入式和支承式两种无砟轨道体系。结合大瑞线复杂的地质条件，为了满足快速修复的需要，采用轨枕支承式无砟轨道体系，即将预制好的合成轨枕利用树脂砂浆与道床板粘结在一起。树脂砂浆提供一定弹性和起纵横向限位作用。为保持轨道结构的稳定性，在合成轨枕两端采用两颗螺栓与道床板固定在一起，螺栓在纵横向也起到传递力和限位的作用。合成轨枕式无砟轨道结构示意图如图1和图2所示。

图1 结构平面示意

图2 结构横断面示意

2 计算模型及参数

2.1 计算模型

根据弹性地基梁板理论，采用有限元方法，应用ANASYS有限元软件，建立梁—梁—板计算模型。如图3、图4所示。模型中，钢轨采用弹性点支承梁，用beam188梁单元模拟;扣件采用单个线性点支承弹簧，用combin14弹簧单元模拟;合成轨枕采用弹性地基上短梁，用beam188梁单元模拟;道床板由于其在厚度方向上的尺寸远小于长度和宽度方向上的尺寸，符合弹性薄板的结构特点，用shell 63壳单元模拟;合成轨枕下树脂砂浆以及隧道仰拱的支承采用均布弹簧，用combin14弹簧单元模拟。为消除边界效应，模型选取24根合成轨枕计算并以中间8根轨枕作为研究对象。

图3 计算模型

图4 计算模型三维立体图

2.2 计算参数

1)钢轨质量取60 kg/m，弹性模量取206 GPa，泊松比取0.3，沿截面横轴惯性矩3 217×10－8m4，截面积77.45×10－4m2，截面高0.176 m，密度7 800 kg/m3，垂向抗弯刚度6.62×106kg·m2。

2)扣件:扣件间距为0.625 m，垂向刚度为50× 106N/m，其中扣件的刚度可取30～70 kN/mm。

3)合成轨枕:弹性模量810 MPa，泊松比0.3，长度2.6 m，宽度0.2 m，高度0.145 m，密度740 kg/m3。

4)树脂砂浆层:弹性模量300 MPa，树脂砂浆弹性模量取10～8 000 MPa范围进行分别计算，厚度0.02 m。

5)道床板:弹性模量35 GPa，泊松比0.2，厚度0.2 m，宽度3 m，密度2 500 kg/m3。

6)基础:基础支承面刚度1 200×106N/m3。

3 参数影响分析

扣件刚度、树脂砂浆刚度等参数对合成轨枕式无砟轨道的结构位移和受力有显著的影响，由于国内对其研究较少，因此研究清楚结构的影响机理，为合成轨枕式无砟轨道在国内的应用提供理论依据是必要的。

3.1 扣件刚度对结构的影响

保持模型的其他参数不变，改变扣件刚度，分别取为30 kN/mm，40 kN/mm，50 kN/mm，60 kN/mm，70 kN/mm，计算在列车竖向设计荷载作用下(考虑到轨道结构自身的初始不平顺，还会产生一定的动力附加值，本模型在计算时，竖向设计轮载采用300 kN。)的轨道各部件的位移、弯矩和应力等，分析扣件刚度对整个轨道结构的影响，结果如图5～图8所示。

图5 扣件刚度对结构垂向位移的影响

图6 扣件刚度对结构弯矩的影响

图7 扣件刚度对合成轨枕表面拉应力的影响

图8 扣件刚度对道床板弯矩的影响

从计算结果可以看出，随着扣件刚度的增加，钢轨的最大垂向位移随其增大而减小，合成轨枕和道床板的最大垂向位移均随之增大;合成轨枕的弯矩和应力均随之增大;道床板的弯矩亦随之增大。扣件刚度从30 kN/mm变化到70 kN/mm时，钢轨的垂向位移从4.017 mm减小到2.339 mm，减小幅度为41.8%;合成轨枕的垂向位移从0.349 mm增加到0.411 mm，增加幅度为17.8%;道床板的垂向位移从0.197 mm增加到0.223 mm，增加幅度为13.2%;合成轨枕负弯矩从2.561 kN·m/m增加到3.128 kN·m/m，增加幅度为22.1%;正弯矩从0.588 kN·m/m增加到0.633 kN·m/m，增加幅度为7.7%，道床板纵向负弯矩由21.526 kN·m/m增加到22.720 kN·m/m，增加幅度为5.5%;纵向正弯矩由2.690 kN·m/m增加到2.851 kN·m/m，增加幅度为6.0%;道床板横向负弯矩由22.329 kN·m/m增加到23.166 kN·m/m，增加幅度为3.7%;横向正弯矩由7.487 kN·m/m增加到7.684 kN·m/m，增加幅度为2.6%。显然钢轨的位移起主要的控制作用。

为保证钢轨不出现较大的垂向位移，扣件刚度不宜太小;为控制合成轨枕和道床板弯矩，扣件的刚度又不宜太大，因此，扣件的刚度应取一个适宜的值，扣件的动刚度建议取50 kN/mm。

3.2 树脂砂浆弹性模量对结构的影响

采用原有梁—梁—板计算模型，保持其它参数不变，改变树脂砂浆的弹性模量从10～8 000 MPa，计算在列车竖向设计荷载作用下的轨道各部件的位移、弯矩和应力等，分析树脂砂浆弹性模量对整个轨道结构的影响，选择合理的树脂砂浆弹性模量。计算结果如图9—图12所示。

图9 树脂砂浆对结构垂向位移的影响

由以上分析可知:

图10 树脂砂浆对合成轨枕弯矩的影响

图11 树脂砂浆弹性模量对合成轨枕拉应力的影响

图12 树脂砂浆弹性模量对道床板弯矩的影响

1)随着树脂砂浆弹性模量的增加，钢轨和合成轨枕的垂向位移随之减小，树脂弹性模量由10 MPa增加到300 MPa时，垂向位移变化很快，钢轨的位移由4.031 mm减小到2.880 mm，减小了1.151 mm;合成轨枕垂向位移由1.834 mm减小到0.386 mm，减小了1.448 mm。而树脂砂浆弹性模量由300 MPa增加到8 000 MPa时，位移变化缓慢，钢轨的垂向位移减小0.112 mm，合成轨枕垂向位移减小了0.004 mm。道床板的垂向位移随之增大，增大的比例越来越缓，且数值也不大。为了控制钢轨和合成轨枕产生过大的垂向位移，树脂砂浆的弹性模量不宜太小，如果钢轨的垂向位移不超过3 mm，合成轨枕的垂向位移不超过0.5 mm，则树脂砂浆的弹性模量应不小于200 MPa。

2)随着树脂砂浆弹性模量的增加，合成轨枕的弯矩和应力均随之减小，但减小的幅度越来越缓。当树脂砂浆的弹性模量为10 MPa时，合成轨枕的最大弯矩为8.316 kN·m/m，最大拉应力为12.7 MPa，仍在设计控制值范围内，故合成轨枕的弯矩和应力对树脂砂浆的弹性模量取值不起控制作用。

3)随着树脂砂浆弹性模量的增加，道床板的弯矩随之增大，但增加的幅度越来越缓。正弯矩在树脂砂浆弹性模量超过300 MPa以后就基本保持不变。为了减小道床板所承受的负弯矩，树脂砂浆的弹性模量不宜太大，建议不超过300 MPa。

4 结论

根据弹性地基梁板理论，采用有限单元法，通过建立梁—梁—板计算模型，对合成轨枕式无砟轨道的参数对结构垂向位移和受力特性进行了计算分析，得出如下结论:

1)为保证钢轨不出现较大的垂向位移，扣件刚度不宜太小;为控制道床板弯矩，扣件的刚度又不宜太大，因此，扣件的刚度应取一个适宜的值，选取刚度为50 kN/mm是合适的。

2)为了保证结构稳定性，树脂砂浆的弹性模量不宜过小，为了保证道床板强度满足要求，树脂砂浆的弹性模量不宜过大，综合分析，建议树脂砂浆的弹性模量在200～300 MPa间取值。

3)合成轨枕的尺寸对钢轨、合成轨枕以及道床板的位移、道床板的弯矩影响均较小，合成轨枕的弯矩和应力又在设计控制值范围内。因此，从经济性角度出发，合成轨枕尺寸只要满足构造要求即可。

4)为有效利用树脂砂浆的特性和发挥合成轨枕的特性，今后应对合成轨枕的力学性能、支承情况进行研究。还应对合成轨枕连接螺栓进行细化，以及对螺栓与合成轨枕的匹配问题进行研究。

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U213.2+4

A

1003-1995(2011)02-0094-04

2010-07-20;

2010-11-20

何燕平(1986—)，男，四川南充人，硕士研究生。

(责任审编 王红)